半橋LLC諧振變換器的建模及仿真研

1、半橋LLC諧振變換器的建模及仿真研究吳張勇 陳小鵬 于建閣 齊立鵬（浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院 金華 321004）摘要：近些年來(lái)，由于LLC諧振變換器具有開(kāi)關(guān)損耗小，功率密度高等優(yōu)點(diǎn)受到廣大工程師的青睞。本文介紹了半橋型LLC諧振變換器拓?fù)涞墓ぷ髟?，通過(guò)基波等效模型分析了電路的直流增益特性，利用Matlab軟件繪出了其直流增益曲線，并以此增益曲線為依據(jù)討論了各參數(shù)對(duì)LLC諧振變換器的影響，以24V/192W電源為例計(jì)算出了LLC諧振變換器的變壓器匝比、諧振電感、諧振電容和勵(lì)磁電感等參數(shù)。最后，我們用Saber軟件進(jìn)行仿真，通過(guò)更改一些參數(shù)的方法驗(yàn)證了上述理論分析的正確性。關(guān)鍵詞：LLC

2、諧振變換器；建模分析；高功率密度；Saber仿真中圖分類(lèi)號(hào)：N945.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AModeling and Simulation Analysis of Half-bridge LLC Resonant Converter WU Zhangyong CHEN xiaopeng YU jiange QI lipeng(College of Mathematics，Physics and Information Engineering，Zhejiang Normal University，Jinhua 321004，China）Abstract:In recent years, the L

3、LC resonant converter with a small switching loss, high power density advantage is favored by the majority of engineers of all ages.Introduction was made to the working principle of topology for the half-bridge LLC resonant converter in this paper,through fundamental analysis of the circuit equivale

4、nt model of the DC gain characteristics use of Matlab software plots the DC gain curve, and as a basis for discussion of the various parameters on the impact of LLC resonant converter, for example to 24V/192W calculate the LLC resonant converter transformer turns ratio, resonant inductor, resonant c

5、apacitor and the magnetizing inductance and other parameters.Finally, we use the Saber simulation software, verified the correctness of the theoretical analysis by changing the parameters.Keywords: LLC resonant converter;Modeling and analysis; high power density; Saber Simulation 0 引言從技術(shù)上看，幾十年來(lái)推動(dòng)電力電

6、子技術(shù)水平不斷提高的主要標(biāo)志是高頻化、高效率、高功率密度等1。為了增加功率密度，必須實(shí)現(xiàn)高頻化，即提高開(kāi)關(guān)頻率，但又要同時(shí)提高變換器的效率，就必須減小開(kāi)關(guān)損耗，諧振變換器正是由于其開(kāi)關(guān)損耗小等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。LLC諧振變換器理論上可實(shí)現(xiàn)初級(jí)開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)通(ZVS)，且關(guān)斷電流較小，次級(jí)整流管可實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)斷(ZCS)的特點(diǎn)2，它既吸取串聯(lián)諧振變換器諧振槽路電流隨負(fù)載輕重而變化，輕載時(shí)效率較高的優(yōu)點(diǎn)，又兼具并聯(lián)諧振變換器在空載下也能穩(wěn)定工作。因此，LLC諧振變換器是一種比較理想的諧振變換器拓?fù)?，?duì)其研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值3。1 原理概述半橋LLC諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，諧

7、振回路由諧振電感(串聯(lián)電感)和勵(lì)磁電感（并聯(lián)電感)以及一個(gè)諧振電容串聯(lián)組成，變換器由該三元件組成，也由此而得名。圖 1 半橋LLC諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)LLC諧振變換器有兩個(gè)諧振頻率,一個(gè)是由和 串聯(lián)諧振決定,此時(shí)并聯(lián)電感上的電壓被輸出電壓箝位，不參與諧振；另一個(gè)由 、和三者的并聯(lián)諧振決定。即： 半橋LLC諧振變換器在一個(gè)周期內(nèi)可以分為6個(gè)工作模式，其中為串聯(lián)諧振電流，為并聯(lián)電感電流。工作模式1(t0tl):t0時(shí)刻，諧振電感電流給開(kāi)關(guān)管S1的寄生電容放電，S1的漏源電壓開(kāi)始下降，當(dāng)降到零時(shí)，S1的體二極管開(kāi)始導(dǎo)通，為S1的零電壓開(kāi)通提供了條件。此模式下整流二極管D1導(dǎo)通，并聯(lián)電感Lp上的電壓被變

8、壓器鉗位在n倍輸出電壓上，其中n為變換器匝比，因此只有和參與諧振。工作模式2(tlt2):t1時(shí)刻，S1零電壓開(kāi)通。此時(shí)仍不參與諧振，其上的電流線性上升，在t2達(dá)到了峰值，按正弦波規(guī)律增加。次級(jí)二極管極管仍是D1導(dǎo)通，流過(guò)D1的電流是和之差。t2時(shí)刻，D1電流為0，副邊二極管零電流關(guān)斷。工作模式3(t2t3):t2時(shí)刻D1關(guān)斷后，輸出側(cè)與諧振網(wǎng)絡(luò)完全分開(kāi)，輸出電感給負(fù)載供電。此模式下也以并聯(lián)諧振頻率諧振參與諧振，到t3時(shí)刻S1以較小的電流關(guān)斷。接下來(lái)的半個(gè)工作周期和上面的工作過(guò)程相似，只是方向相反了。從上面的分析可看出開(kāi)關(guān)管S1和S2都實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通，次級(jí)整流二極管都實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷，開(kāi)關(guān)損

9、耗很小，具有極高的效率。2 等效模型的建立和分析上面的分析都是純理論的，要實(shí)現(xiàn)真正的軟開(kāi)關(guān)4，達(dá)到最低開(kāi)關(guān)損耗需要建立等效模型分析設(shè)計(jì)各參數(shù)才能獲得。由于開(kāi)關(guān)管是上下互補(bǔ)導(dǎo)通的，所以在諧振網(wǎng)絡(luò)的左邊得到一方波電壓，而從變壓器副邊折算到也同樣為一方波電壓，由此我們用基波等效模型來(lái)研究LLC諧振變換器的輸入輸出特性。圖2為L(zhǎng)LC諧振變換器的基波等效電路。圖 2 LLC諧振變換器基波等效電路其中，與實(shí)際負(fù)載的關(guān)系為：式中為正弦波流經(jīng)電阻上產(chǎn)生的功率與方波產(chǎn)生的功率的關(guān)系比。由等效電路得交流基波的電壓增益： (1) 式（1）中為串聯(lián)諧振頻率，f為開(kāi)關(guān)頻率，n為變壓器匝比，K定義為：Q定義為串聯(lián)諧振的品

10、質(zhì)因數(shù)：,通過(guò)對(duì)諧振槽路的輸入電壓進(jìn)行傅里葉變換5得到其基波分量： （2）由（2）式可得輸入方波電壓基波有效值： （3）同理可得輸出方波電壓基波有效值： （4）所以直流增益：（5）變換上面式子可得直流增益表達(dá)式： （6）式（6）中可看出影響直流增益的參數(shù)有比例系數(shù)K、串聯(lián)諧振品質(zhì)因數(shù)Q、變壓器匝比n等，由于各參數(shù)之間關(guān)系復(fù)雜，相互影響，所以我們?cè)诜治鲆粋€(gè)參數(shù)時(shí)先固定其它幾個(gè)，只變動(dòng)一個(gè)參數(shù)來(lái)觀察其對(duì)變換器的影響。2.1 品質(zhì)因數(shù)Q對(duì)變換器的影響固定K和n值，來(lái)看一下K值對(duì)變換器的影響。圖3是用Matlab軟件在K=3，n=31時(shí)不同Q值下直流增益隨歸一化頻率的變化曲線。圖中可看出隨著Q的增大，

11、增益曲線的最大增益越小，即在變壓器空載時(shí)，增益最大，要使輸出電壓恒定，必須增加開(kāi)關(guān)頻率；在滿(mǎn)載時(shí)，增益最小，需要減小開(kāi)關(guān)頻率來(lái)維持輸出穩(wěn)定。由于開(kāi)關(guān)頻率在和之間時(shí)諧振網(wǎng)絡(luò)呈感性，有利于開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通和二極管的零電流關(guān)斷，所以設(shè)計(jì)一個(gè)在滿(mǎn)載情況下滿(mǎn)足變換器增益要求的Q值就能滿(mǎn)足其他情況的要求了。圖3 K=3，n=31時(shí)變換器的直流增益曲線圖4 Q=0.3，n=31時(shí)變換器的直流增益曲線2.2 比例系數(shù)K對(duì)變換器的影響同理，圖4是Q=0.3，n=31時(shí)不同K值下直流增益隨歸一化頻率的變化曲線。分析圖可知，隨著K的增大，最大增益也隨著減小了。如果K取得較大，當(dāng)輸入電壓較低時(shí)，可能無(wú)法達(dá)到需要保持

12、的輸出電壓；再者，若串聯(lián)諧振頻率已確定，工作頻率將隨著拐點(diǎn)頻率的減小而變寬，這樣對(duì)磁性元件是不利的，應(yīng)避免K值過(guò)大。但是K取得較小時(shí)，并聯(lián)諧振電感也較小，此時(shí)其上的電流較大，損耗也較大，所以K也應(yīng)避免取得過(guò)小，應(yīng)折中選取，一般取37比較合適。2.3 匝比n對(duì)變換器的影響從式（6）和圖3可以看出，在時(shí)，無(wú)論Q值為多少變換器的直流增益都等于。所以，當(dāng)設(shè)計(jì)的n滿(mǎn)足變換器的最小增益小于等于時(shí)變換器將工作在區(qū)域；當(dāng)設(shè)計(jì)的n使大于變換器的最小增益時(shí)變換器有一部分工作在區(qū)域，此時(shí)整流二極管不能零電流關(guān)斷；當(dāng)設(shè)計(jì)的n使得大于變換器的最大增益時(shí)，變換器將一直工作在f>fs區(qū)域內(nèi)。一般將輸入電壓的最高頻率固

13、定在，所以n通常取：。3 參數(shù)選取及仿真驗(yàn)證我們以192W的電源為例，設(shè)計(jì)的輸入電壓為400V，輸出24V/8A。根據(jù)上面的理論分析和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，我們?nèi)和Q的值分別為5、0.4，變壓器匝比為36：4：4，此時(shí)經(jīng)計(jì)算得出=20nF，=127uH，=635uH,開(kāi)關(guān)頻率設(shè)為99KHz，用Saber軟件6畫(huà)出了其仿真電路，圖5為其正常工作滿(mǎn)載時(shí)的仿真結(jié)果，其中為開(kāi)關(guān)管漏源兩級(jí)電壓，為柵源兩級(jí)電壓，、分別諧振電感和勵(lì)磁電感兩端電流，、為次級(jí)二極管電流。圖中可看出開(kāi)關(guān)管能零電壓開(kāi)通和零電流關(guān)斷實(shí)現(xiàn)了真正的軟開(kāi)關(guān)。當(dāng)我們改變K的值，取K=10(=1260uH)，仿真結(jié)果如圖6所示，此時(shí)開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)關(guān)和零

14、電流關(guān)斷不明顯了,次級(jí)二極管電流也有了一定畸變，此時(shí)不能得到正真的軟開(kāi)關(guān)，仿真結(jié)果和上面的分析相符。圖5 滿(mǎn)載正常工作時(shí)仿真波形圖6 更改K值后的仿真波形4 結(jié)論實(shí)驗(yàn)證明 ,通過(guò)對(duì)變換器建立基波等效模型并分析各參數(shù)對(duì)變換器的影響,從而選取合適的變換器參數(shù) ,能有效優(yōu)化變換器工作性能 ,使半橋 LLC諧振變換器開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通和零電流關(guān)斷，把開(kāi)關(guān)損耗降到最低。參考文獻(xiàn)1 朱建華，羅方林功率諧振變換器及其發(fā)展方向電工電能新技術(shù)，2004，23(1)：5559.2 陳 偉,王志強(qiáng).半橋 LLC諧振變換器穩(wěn)態(tài)建模及分析.通信電源技術(shù),2008,25（4）：17-19.3 YANG Bo, LEE

15、 F C, ZHANG A J,et al. LLC Resonant Converter for Front End DC/DC ConversionC/Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC 2002, 2：1108-1112.4王增福，李昶, 魏永明.軟開(kāi)關(guān)電源原理與應(yīng)用.第一版 北京：電子工業(yè)出版社,2006，4-8.5鄭君里，應(yīng)啟珩，楊為理.信號(hào)與系統(tǒng).第二版 北京：高等教育出版社，2009，88-1576黃志武 ,秦惠.SABER仿真在LLC諧振變換器開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.通信電源技術(shù),2008,25(2):74-77.作者簡(jiǎn)價(jià)： 吳